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原子级的见解有助于减少燃料电池的退化并延长其寿命

由聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)供电的车辆既节能又环保,但是尽管公众对以PEMFC供电的运输越来越感兴趣,但燃料电池所用材料的当前性能限制了它们的广泛商业化。

美国能源部(DOE)阿尔贡国家实验室的科学家带领一个团队研究了PEMFC中的反应,他们的发现为创造技术提供了可能,使燃料电池更接近于实现其全部市场潜力。

PEMFC依靠氢作为燃料,氢通过氢氧化反应在电池的阳极侧被氧化,而空气中的氧气用于阴极的氧还原反应(ORR)。通过这些过程,燃料电池产生电能以驱动车辆和其他应用中的电动机,并排放水作为唯一的副产品。

铂基纳米颗粒是促进燃料电池中反应的最有效材料,包括阴极中的ORR。然而,除了它们的高成本之外,铂纳米颗粒还经历逐渐降解,特别是在阴极中,这逐渐限制了催化性能并降低了燃料电池的寿命。

该研究团队包括美国能源部的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)和一些大学合作伙伴,使用一种新颖的方法在原子和分子水平上研究了铂的溶解过程。研究使他们能够确定阴极ORR期间的降解机理,这些见解指导了使用金消除铂溶解的纳米催化剂的设计。

阿贡大学材料科学部(MSD)能量转换和存储小组的高级科学家兼小组负责人Vojislav Stamenkovic说:“铂的溶解发生在暴露于燃料电池中高度腐蚀的环境中的原子和分子尺度上。” 这种材料的降解影响了燃料电池的长期运行,为燃料电池在运输中的实施提供了障碍,特别是在重型应用(如长途卡车)中。”

从小开始

科学家使用了一系列定制的表征工具来研究明确定义的铂结构在单晶表面,薄膜和纳米颗粒中的溶解。

阿贡大学MSD的科学家,这项研究的第一作者Pietro Papa Lopes说:“我们已经开发出了在原子尺度上观察过程的能力,以了解造成溶解的机制并确定其发生的条件。“然后,我们将这些知识应用于材料设计中,以减轻溶解并增加耐用性。”

该团队使用特定于表面的工具,电化学方法,电感耦合等离子体质谱,计算模型和原子力,扫描隧穿和高分辨率透射显微镜研究了基本水平上的溶出度。

此外,科学家依靠高精度合成方法来创建具有明确定义的物理和化学性质的结构,从而确保将研究二维表面发现的结构与稳定性之间的关系延续到它们所形成的3-D纳米颗粒中。生产的。

洛佩斯说:“我们进行了这些研究,从单晶,薄膜到纳米颗粒,这些研究向我们展示了如何合成铂催化剂以提高耐用性,并且通过研究这些不同的材料,我们还确定了使用金的方法。保护铂金。”

追求黄金

当科学家们通过观察几种试验台场景中溶出的发生来揭示溶出的基本性质时,研究小组使用该知识通过添加金来减轻溶出。

研究人员在阿贡的纳米级材料中心和橡树岭国家实验室的纳米相材料科学中心(都属于美国能源部科学使用处)使用了透射电子显微镜功能,对合成后以及操作前后的铂纳米颗粒进行成像。这项技术使科学家们可以比较掺入和不掺入金的纳米颗粒的稳定性。

研究小组发现,控制金在芯中的位置会促进铂以最佳表面结构排列,从而赋予其高稳定性。此外,金被选择性地沉积在表面上,以保护团队确定为特别容易溶解的特定部位。通过使铂原子附着在仍可以有效催化ORR的位点上,该策略甚至消除了本研究中使用的最小纳米颗粒中铂的溶解。

原子层次的理解

了解原子级溶解背后的机制对于揭示铂损失,表面结构与铂纳米粒子的尺寸和比例之间的相关性,以及确定这些关系如何影响长期运行至关重要。

Stamenkovic说:“这项研究的新颖之处在于通过从不同大小的材料设计(从单晶,薄膜到纳米粒子)解决机理,并完全缓解了铂的溶解。” “这是我们结合纳米材料的设计和合成获得的见解,该纳米材料解决了燃料电池的耐用性问题,并能够划定和量化铂催化剂在其他过程中的溶解,从而导致燃料电池性能下降。”

该团队还开发了一种预测老化算法,以评估铂基纳米颗粒的长期耐久性,并发现与不含金的纳米颗粒相比,耐久性提高了30倍。

7月20日在《自然材料》上发表了一篇名为“消除铂基电催化剂在原子尺度上的溶解”的研究论文。

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